Lasers micro-/nanostructures hautes performances, en tant que composants de source optique multifonctionnels, sont d'une grande importance pour les dispositifs optoélectroniques. Vers cet objectif, des scientifiques chinois ont inventé un microlaser à points quantiques ultrastable à haut rendement et à faible coût, qui peut fonctionner même à 450 K, la température de fonctionnement la plus élevée pour les lasers à points quantiques. La technique innovante favorise considérablement son développement, de l'étude des performances de base à la compatibilité pratique supérieure pour les microlasers à haute température et à faible coût et à une commercialisation prévisible.

Les points quantiques colloïdaux de faible dimension (CQD) ont attiré une attention particulière en raison de leurs structures uniques, propriétés optiques extraordinaires, et des processus de préparation à faible coût. Depuis leur première synthèse dans les années 1990, la motivation pour réaliser des micro-/nanolasers CQD hautes performances et à faible coût est une force motrice depuis plus de trois décennies. Cependant, la faible densité d'emballage, couplage inefficace de CQD avec des cavités optiques, et la faible stabilité thermique des systèmes complexes miniaturisés rend difficile la réalisation de micro-/nanolasers CQD pratiques, en particulier pour combiner la capacité de travail continu à haute température et le potentiel de faible coût avec des technologies de synthèse produites en série. D'où, résoudre efficacement les problèmes clés ci-dessus nécessite de nouvelles idées différentes de la recherche laser CQD traditionnelle.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Hongxing Dong et le professeur Long Zhang du Key Laboratory of Materials for High Power Laser, Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai, Académie chinoise des sciences, Chine, et ses collaborateurs ont développé une nouvelle technique d'assemblage combinée à la méthode sol-gel pour fabriquer des microsphères assemblées par CQD (CQDAM) solidifiées dans une matrice de silice, ce qui garantit non seulement que les CQDAM fonctionnent de manière stable à des températures élevées, mais résout également les problèmes de gain de densité de compactage et d'efficacité de couplage.

Les chercheurs ont d'abord réalisé un laser monomode basé sur des CQDAM solidifiés avec des températures de fonctionnement allant jusqu'à 450 K. Jusqu'à présent, il s'agit de la température de fonctionnement la plus élevée pour les microlasers CQD. Même s'ils travaillent en permanence dans un environnement à haute température, la sortie stable des impulsions laser peut être maintenue pendant 40 min. En modifiant la composition et/ou la taille du CQD, le laser monomode peut être étendu à toute la gamme spectrale visible. De plus, la méthode de mise en solution présente les avantages d'un faible coût et d'un potentiel de production en série. Il ne nécessite pas de traitement de cavité optique complexe, ce qui signifie qu'aucun équipement coûteux ou traitement extrêmement complexe n'est requis. Pendant ce temps, ces lasers CQDAMs peuvent être hautement intégrés dans un micro-substrat, et également applicable à d'autres types de nanoparticules semi-conductrices, qui favorisent une valeur d'application commerciale prévisible dans les dispositifs optoélectroniques micro-intégrés à haute température et à faible coût.

Dans le domaine de la recherche des dispositifs micro-/nanolasers, le laser CQD hautes performances et à faible coût est un sujet brûlant important. Malheureusement, le développement est évidemment hystérétique compte tenu de la coexistence des enjeux multi-niveaux, C'est, (1) l'exigence de base d'excellentes performances laser ; (2) la capacité promotionnelle de répondre aux conditions d'application telles que le travail continu avec une grande stabilité, applicabilité dans des environnements à haute température; (3) la combinaison de l'avantage de la production à faible coût et des avantages des points précédents (1), (2). Ces scientifiques résument les idées de conception originales de leurs microlasers :

"Du point de vue du gain médium, les CQD auto-assemblés atteignent presque la limite élevée de densité d'emballage, assurant un gain optique suffisant. Du point de vue du couplage lumière-matière, de tels échantillons CQDAM sont utilisés à la fois comme matériaux de gain et comme microcavités optiques, améliorant pleinement l'efficacité du couplage lumière-matière. Du point de vue des performances de la cavité optique, la microcavité sphérique WGM peut améliorer efficacement la capacité de confinement des photons de la cavité. Pour un échantillon CQDAM de volume d'environ 1 m ^-3 , il ne pourrait y avoir qu'un seul mode de résonance effectué dans la gamme de longueurs d'onde d'émission. Cependant, le facteur Q du mode opératoire pourrait être de 10 ⁴ . Plus important encore, nous combinons ces trois avantages de différents aspects dans l'échantillon du CQDAM."

"Outre les paramètres laser ci-dessus, la stabilité laser à haute température est également un aspect important lié au potentiel de commercialisation. Le problème de dissipation thermique est une difficulté intrinsèque et inévitable pour la prochaine génération de dispositifs laser intégrés à micropuce. Dans ce travail, la température opératoire du microlaser CQD est démontrée à 450 K. De plus, le microlaser CQDs peut être intégré à haute densité avec une excellente capacité de travail même à une température aussi élevée. En outre, notre méthode de fabrication de microlasers CQD unique mais générique est très attrayante et prometteuse d'un point de vue commercial où elle peut réduire considérablement les coûts de fabrication et simplifier le processus de fabrication, profitant ainsi à leur production industrielle à grande échelle. En d'autres termes, ces processus de préparation de solution hautement efficaces n'ont pas besoin de techniques de traitement complexes et d'équipements de traitement coûteux, les coûts sont principalement les matériaux à bas prix. Cette capacité de fabrication rentable et la capacité d'intégration flexible ouvrent une nouvelle voie et promettent un grand potentiel dans l'avancement des microlasers CQD du laboratoire à l'industrialisation, " ont-ils ajouté.

"En outre, depuis la première démonstration d'émission stimulée de CQD, la poursuite du laser CQD à pompage électrique est devenue l'objet d'intenses recherches. De façon intéressante, nos CQDAM peuvent servir à la fois de milieu de gain et de cavité optique, qui peut être facilement incorporé dans l'architecture électroluminescente en tant que couche émettrice pour permettre des nanolasers pompés électriquement. En réalité, la réalisation d'un micro laser électro-induit est un grand défi, et des problèmes plus complexes doivent être résolus, qui est également une partie importante de nos recherches futures, ", prédisent les scientifiques.